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JP4364529B2 - Oxygen isotope enrichment method and apparatus - Google Patents
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Oxygen isotope enrichment method and apparatus Download PDF

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JP4364529B2 JP2003057439A JP2003057439A JP4364529B2 JP 4364529 B2 JP4364529 B2 JP 4364529B2 JP 2003057439 A JP2003057439 A JP 2003057439A JP 2003057439 A JP2003057439 A JP 2003057439A JP 4364529 B2 JP4364529 B2 JP 4364529B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素同位体の濃縮方法及び装置に関し、詳しくは、光によるオゾンの分解反応を利用して存在比が極めて小さな酸素の安定同位体である17Oや18Oを選択的に濃縮する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
成人病の診断等でトレーサーとして利用されている酸素同位体の17Oや18Oは、自然界における存在比が極めて小さいため、使用に際しては、これらを分離濃縮する必要がある。18Oの濃縮法として、飽和鎖式エーテルにレーザー光を照射して18Oを含むものを選択的に光分解させることにより、18Oを含む生成物を得る方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この他にも、アルデヒドや一酸化炭素にレーザー光を照射して18Oを選択的に濃縮する方法がある。
【0003】
【特許文献1】
特公平6−102134号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、濃縮率が低かったり、反応に寄与する光の利用効率が低かったり、レーザー光の発振エネルギー効率が低かったりするため、さらに、濃縮した化学種を抽出するための後処理も必要であることなど、工業的に確立されたものではなかった。一方、蒸留操作によって酸素同位体を濃縮することも提案されているが、濃縮度を高めるためには、装置の起動時間が極めて長時間となる問題がある。
【0005】
そこで本発明は、酸素の安定同位体である17Oや18Oを酸素の状態で濃縮することができ、しかも、簡便な装置構成で実施することが可能な酸素同位体の濃縮方法及び装置を提供することを目的としている。
【0006】
上記目的を達成するため、本発明の酸素同位体の濃縮方法は、基本的に、オゾンに特定の波長の光を照射し、分子中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を含むオゾンを酸素に分解した後、オゾンが分解して生成した酸素と未分解のオゾンとを分離し、分離した酸素中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を濃縮することを特徴とするものであって、具体的には、酸素を原料としてオゾンを生成するオゾン生成工程と、該工程で生成したオゾンを原料酸素から分離するオゾン分離工程と、該工程で分離したオゾンに特定の波長の光を照射し、分子中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を含むオゾンを酸素に分解するオゾン分解工程と、該工程でオゾンが分解して生成した酸素と未分解のオゾンとを分離して酸素中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を濃縮する酸素分離工程とを含むことを特徴としている。
【0007】
さらに、前記酸素分離工程で分離したオゾンに、前記オゾン分解工程とは異なる特定の波長の光を照射し、前記オゾン分解工程で分解したオゾンとは異なるオゾンであって 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を分子中に含むオゾンを選択的に酸素に分解する第2オゾン分解工程と、該工程でオゾンが分解して生成した酸素と未分解のオゾンとを分離して酸素中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を濃縮する第2酸素分離工程とを行って二段階で異なる酸素同位体を濃縮することもできる。
【0008】
前記オゾンのアイソトポマーとしては、酸素同位体の種類及びその組み合わせから、161616O、161617O、161716O、161618O、161816O、161717O、171617O、161718O、171618O、161817O、171717O、161818O、181618O、171718O、171817O、171818O、181718O、181818Oの18種類が存在することになる。
【0009】
本発明では、これらの各種アイソトポマーが混在するオゾンガスに特定の光を照射することにより、オゾンの特定のアイソトポマーを分解して酸素同位体を含む酸素を生成するようにしている。例えば、161617Oというアイソトポマーを光照射によって分解すると、次に示す反応式(1)、(2)により、2分子のオゾンから3分子の酸素が発生する。
【0010】
161617O+「光照射」→O+O ・・・(1)
+O→2O ・・・(2)
【0011】
この反応の中で、反応式(1)で光照射によって分解されたオゾンに含まれている17Oは、生成した「O」に含まれるか、「O」となり、この「O」は直ちに反応式(2)により他のオゾンと反応して2分子の酸素となるので、反応式(1)、(2)で生成した3分子の酸素の中の一つの分子中にこの17Oが存在することになる。これにより、オゾンが分解した酸素中に17Oが濃縮された状態となる。なお、反応式(2)において反応するオゾンにも17Oや18Oが含まれている可能性はあるが、その確率は極めて低く、無視できる量といえる。
【0012】
また、オゾンの結合解離エネルギーは、1.05eVであり、波長1.18μm以下の光吸収においてオゾンが分解する。このオゾンの光吸収としては、従来から下記の帯域が知られている。
【0013】
Wulf band 700〜1000nm (1.2〜1.8eV) 近赤外域
Chappius band 450〜850nm (1.5〜2.8eV) 可視域
Huggins band 300〜360nm (3.4〜4.1eV) 紫外域
Hartly band 200〜300nm (4.1〜6.2eV) 紫外域
【0014】
これらの帯域の中でも、Wulf bandの波長1000nm(波数10000cm−1)付近において、文献(Journal of Chemical Physics vol.108 no.13 p.5449-5457)によれば、図1に示すような鋭い吸収スペクトルが観測されている。図1は、16161616O)と、18181818O)とにおける光吸収を示しており、16の最大ピークは波数10081cm−1(波長991.965nm)であり、18の最大ピークは波数10076cm−1(波長992.457nm)であることがわかる。したがって、17Oや18Oを含むオゾンのアイソトポマーを効率よく分解できる波長は、この両者の間にあり、この間の波長を選択することによって所望のオゾンを選択的に分解できることがわかる。
【0015】
なお、他の吸収ピークも使用可能であるが、オゾンの分解効率を考慮すると、前記範囲が最適である。特に、このような近赤外域又は可視域の光を使用することにより、紫外域の光を用いた場合に比べて取り扱いが容易であるという利点を有している。さらに、エネルギーの強い紫外域の光を使用すると、目的とするオゾンのアイソトポマーだけでなく、他のオゾンのアイソトポマーも分解してしまうことがあり、酸素同位体の濃縮効率を低下させてしまうことになる。
【0016】
また、光源が所望するオゾンの分解波長から僅かにずれていて選択的分解効率が悪い場合には、光を照射する際にオゾンに電場を印可することにより、シュタルク効果でオゾンの吸収波長をシフトさせることができるので、光源の波長に対してオゾンの吸収波長を精密に一致させることが可能である。
【0017】
このような波長の光を得るための光源としては、太陽光の分光、InGaAsP系半導体レーザー又は発光ダイオード、AlGaInP系半導体レーザー又は発光ダイオード、GaAsSb系半導体レーザー又は発光ダイオード、CdZnTe系半導体レーザー又は発光ダイオード、CdZnSe系半導体レーザー又は発光ダイオード、あるいは、水銀ランプ、YAGレーザー、Arイオンレーザー、Krイオンレーザー等で光ポンピングが可能な色素レーザー等を使用することができる。
【0018】
さらに、オゾンに光を照射する際には、オゾン分子の平均自由行程を長くして分子衝突をできるだけ抑えるため、低圧下、例えば13kPa(100Torr)以下の圧力にすることが好ましい。これにより、分子衝突によって光の吸収幅が広がるのをさけることができる。また、オゾンの自然分解を抑制するためには、オゾンに光を照射する際だけでなく、系全体を低温、例えば100〜250Kの範囲に冷却しておくことが好ましい。これにより、吸収ピークを鋭くできるとともに、自然分解による酸素の生成を抑えて酸素同位体を含む酸素の濃縮率を向上させることができる。
【0019】
一方、オゾンは、オゾン原料となる酸素を一般的なオゾナイザーで無声放電させたり、水銀ランプ等からの紫外線を照射したりすることによって容易に生成させることができる。原料となる酸素としてはアルゴンや窒素等の不純物をできるだけ含まない高純度のものが望ましいが、オゾンと酸素とを分離する際にこれらの不純物を十分に分離できれば、純度99.5%程度の工業用酸素を原料酸素として使用することもできる。また、本発明の濃縮方法で17Oや18Oを濃縮した酸素や、他の濃縮法で17Oや18Oを濃縮した酸素を原料酸素として用いることもできる。また、オゾンと酸素との分離は、両者の沸点差を利用した低温蒸留あるいはシリカゲル等の吸着剤への両者の吸着性の差を利用した低温吸着によって容易に行うことができる。
【0020】
このような本発明方法を実施するための最適な装置構成は、例えば図2のブロック図に例示するように、原料酸素GOからオゾンを生成するオゾン生成手段11と、該オゾン生成手段で生成したオゾンOZと原料酸素とを分離するオゾン分離手段12と、該オゾン分離手段12で分離したオゾンに特定の波長の光Lを照射し、分子中に酸素同位体を含むオゾンを選択的に酸素に分解するオゾン分解手段13と、該オゾン分解手段13でオゾンが分解して生成した酸素OCと未分解のオゾンOZとを分離して酸素中に酸素同位体を濃縮する酸素分離手段14とを備えたものである。
【0021】
さらに、前記酸素分離手段14で分離したオゾンOZに光Lを照射し、前記オゾン分解手段13で分解したオゾンとは異なる酸素同位体を分子中に含むオゾンを選択的に酸素に分解する第2オゾン分解手段15と、該第2オゾン分解手段15でオゾンが分解して生成した酸素OC2と未分解のオゾンOZ2とを分離して酸素中に酸素同位体を濃縮する第2酸素分離手段16とを設けることもできる。
【0022】
また、前記オゾン分離手段12で分離した酸素GOを前記オゾン生成手段11に循環導入する経路を設けることによって原料酸素の消費量を削減することができる。さらに、前記オゾン分解手段13には、冷却手段及び減圧手段を設けておくことが好ましい。
【0023】
【発明の実施の形態】
図3は本発明の酸素同位体の濃縮装置の一形態例を示す系統図である。この濃縮装置は、まず、原料酸素からオゾンを得るための機器として、原料酸素からオゾンを生成するためのオゾン生成手段であるオゾナイザー21と、このオゾナイザー21で生成したオゾンと原料酸素とを分離するオゾン分離手段としての第1蒸留塔22と、この第1蒸留塔22での低温蒸留操作で必要とする寒冷を与えるための凝縮器23と、第1蒸留塔内の上昇ガスを発生させるためのリボイラー24と、第1蒸留塔導出ガスの寒冷を第1蒸留塔導入ガスに回収するための熱交換器25と、第1蒸留塔導出ガスを一時貯留するためのバッファタンク26と、バッファタンク26内の第1蒸留塔導出ガスをオゾナイザー21に循環導入するためのブロワー27とが設けられている。
【0024】
オゾンから特定の同位体を含む酸素を濃縮するための機器としては、特定のオゾンのアイソトポマーを光源31から照射される光によって酸素に分解するための光反応セル32と、光反応セル32で生成した酸素と未分解のオゾンとを分離して酸素中に酸素同位体を濃縮する酸素分離手段である第2蒸留塔33と、この第2蒸留塔33での低温蒸留操作で必要とする寒冷を与えるための凝縮器34と、第2蒸留塔内の上昇ガスを発生させるためのリボイラー35と、第2蒸留塔導出ガスの寒冷を第2蒸留塔導入ガスに回収するための熱交換器36とが設けられている。
【0025】
経路51から供給され、経路52から循環する酸素と合流した原料酸素は、オゾナイザー21での無声放電によってその一部がオゾン化し、オゾン・酸素混合ガスとなって熱交換器25で冷却された後、経路53から第1蒸留塔22の中段に導入される。このオゾン・酸素混合ガスは、第1蒸留塔上部の凝縮器23で生成した還流液と、第1蒸留塔下部のリボイラー24で生成した上昇ガスとによって蒸留され、第1蒸留塔22の上部に酸素ガスが、第1蒸留塔22の底部に液化オゾンがそれぞれ分離する。第1蒸留塔上部から経路54に抜き出された酸素は、一部が凝縮器23に分岐し、残部は経路55を通ってバッファタンク26に一時貯留された後、ブロワー27で圧縮されて経路52からオゾナイザー21に循環導入される。
【0026】
第1蒸留塔22の底部から経路56に抜き出されたオゾンは、一部がリボイラー24に分岐し、残部は弁57を通ってガス状で光反応セル32に導入される。このオゾンの中の特定のアイソトポマーは、光源31から照射される光によって酸素に分解し、分解した酸素と未分解のオゾンとからなるオゾン・酸素混合ガスが経路58から弁59を通して導出される。光反応セル32内は、特定のオゾンのアイソトポマーの分解を安定した状態で効率よく行えるようにするため、13kPa以下の圧力に減圧するとともに、100〜250Kの範囲に冷却するようにしている。圧力及び温度は、オゾンの分解状況に応じて適当に設定することが可能であり、オゾンが液化又は固化しない範囲で、少なくとも光反応セル32の両側の弁57,59間を所定圧力及び所定温度に維持するようにしている。
【0027】
経路58のオゾン・酸素混合ガスは、熱交換器36で冷却された後、第2蒸留塔33の中段に導入され、前記第1蒸留塔22と同様に、凝縮器34からの還流液と、リボイラー35からの上昇ガスによって蒸留され、塔下部にオゾンが分離し、塔上部に特定の同位体酸素を含む酸素ガスが濃縮される。濃縮された特定同位体含有酸素ガスは、第2蒸留塔33の上部から経路61に抜き出されて一部が凝縮器34に分岐した後、経路62から製品として回収される。第2蒸留塔33の底部から経路63に抜き出されたオゾンは、一部がリボイラー35に分岐した後、熱交換器36を経て経路64に取り出される。
【0028】
経路64のオゾンは、通常は、触媒等を用いたオゾン分解手段で酸素に分解されて排出される。また、この経路64のオゾンを、前記光反応セル32とは別に設けた第2オゾン分解手段としての第2の光反応セルに導入し、光反応セル32で分解したものとは別のアイソトポマーを分解し、分解により生成した同位体含有酸素を第2酸素分離手段としての蒸留塔等を使用してオゾンから分離濃縮することもできる。
【0029】
なお、各蒸留塔の操作条件は、任意であるが、光反応セルに酸素が侵入すると同位体含有酸素ガスの濃度が低下するので、できるだけ酸素を含まない状態のオゾンを得られるようにすることが好ましい。また、凝縮器に供給する寒冷源や、リボイラーに供給する加熱源には、適当な温度の窒素やアルゴンを使用することができる。さらに、光反応セルの冷却にも、適当な温度の窒素やアルゴンを使用でき、光反応セルを含む系内の減圧には、光反応セルより下流側の適当な経路に真空ポンプを設置したり、液化窒素等により液化減圧したりすることによって行うことができる。また、各機器の材質は、オゾンに対する反応性や触媒作用の無いものを選定すればよく、通常は、ガラスやフッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン)等を用いることが好ましい。
【0030】
図3に示す構成の濃縮装置を使用して17Oを濃縮し、1年間で10kg(HO換算)製造する際の各経路におけるプロセス流量等の計算値を表1に示す。原料酸素としては、蒸留法によって17O及び18Oを濃縮した酸素ガスを使用した。光反応セルで分解するターゲットのアイソトポマーは、161718Oを選択した。このターゲットのアイソトポマーを分解するための光には、波長が992nmのレーザー光を使用した。レーザー出力は1.0W、吸収断面積は3.0×10−23cmとした。また、光反応セルの圧力は13kPa(100Torr)、温度は200Kとした。光路長は40m、滞留時間は100秒、光の利用率は0.0019、ターゲットのアイソトポマーの収率は0.90、ターゲットのアイソトポマーの分解と同時に発生する他のアイソトポマーの非選択的分解量は、ターゲットのアイソトポマーの1に対して3.3とした。このときの17Oの濃縮率は10.8となった。また、オゾナイザーの消費電力は3.0kWであった。
【0031】
【表1】

Figure 0004364529
【0032】
次に、原料酸素として通常の高純度酸素を使用し、1年間で10kg(HO換算)製造する場合の各経路におけるプロセス流量等の計算値を表2に示す。ターゲットのアイソトポマーには、161617Oを選択した。このターゲットのアイソトポマーを分解するための光には、波長が992nmのレーザー光を使用した。レーザー出力は2.2W、吸収断面積は3.0×10−23cmとした。また、光反応セルの圧力は13kPa(100Torr)、温度は150Kとした。光路長は40m、滞留時間は100秒、光の利用率は0.0003、ターゲットのアイソトポマーの収率は0.90、ターゲットのアイソトポマーの分解と同時に発生する他のアイソトポマーの非選択的分解量は、ターゲットのアイソトポマーの1に対して10とした。このときの17Oの濃縮率は85.4となった。また、オゾナイザーの消費電力は6.7kWであった。
【0033】
【表2】
Figure 0004364529
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、酸素同位体を分離濃縮するための手段としてオゾンの光分解反応を選択したことにより、酸素の安定同位体である17Oや18Oを効率よく濃縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 オゾンの吸収スペクトルを示す図である。
【図2】 本発明方法を実施するための装置構成例を示すブロック図である。
【図3】 図である。
【符号の説明】
11…オゾン生成手段、12…オゾン分離手段、13…オゾン分解手段、14…酸素分離手段、15…第2オゾン分解手段、16…第2酸素分離手段、21…オゾナイザー、22…第1蒸留塔、23…凝縮器、24…リボイラー、25…熱交換器、26…バッファタンク、27…ブロワー、31…光源、32…光反応セル、33…第2蒸留塔、34…凝縮器、35…リボイラー、36…熱交換器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen isotope enrichment method and apparatus, and more particularly, selectively enriches 17 O and 18 O, which are stable isotopes of oxygen having a very small abundance ratio, by utilizing a decomposition reaction of ozone by light. The present invention relates to a method and an apparatus.
[0002]
[Prior art]
The oxygen isotopes 17 O and 18 O used as tracers in the diagnosis of adult diseases and the like have a very small abundance ratio in the natural world, and therefore need to be separated and concentrated for use. As the concentration method of the 18 O, by selectively photolysis those comprising 18 O by irradiating a laser beam to saturated chain ethers, a method of obtaining a product containing 18 O is known (e.g., (See Patent Document 1). In addition, there is a method of selectively concentrating 18 O by irradiating a laser beam to aldehyde or carbon monoxide.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Examined Patent Publication No. 6-102134
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method, the concentration rate is low, the utilization efficiency of light contributing to the reaction is low, or the oscillation energy efficiency of the laser light is low, and further post-processing for extracting the concentrated chemical species However, it was not established industrially. On the other hand, it has also been proposed to concentrate oxygen isotopes by distillation, but there is a problem that the startup time of the apparatus becomes extremely long in order to increase the concentration.
[0005]
Therefore, the present invention provides an oxygen isotope enrichment method and apparatus capable of concentrating 17 O and 18 O, which are stable isotopes of oxygen, in the state of oxygen, and which can be carried out with a simple apparatus configuration. It is intended to provide.
[0006]
To achieve the above object, a method of concentrating oxygen isotopes of the present invention basically is irradiated with light of a specific wavelength in the ozone, the ozone containing at least one of 17 O and 18 O in the molecule after decomposed into oxygen, in which ozone is separated and generates oxygen and non-decomposed by the decomposition of ozone, characterized by concentrating the at least one of the separated in oxygen 17 O and 18 O Specifically, an ozone generation step for generating ozone using oxygen as a raw material, an ozone separation step for separating ozone generated in the step from the raw material oxygen , and light having a specific wavelength in the ozone separated in the step irradiating the, ozone decomposition step of decomposing into oxygen ozone containing at least one of 17 O and 18 O in the molecule, the higher in the ozone undecomposed and oxygen ozone generated by decomposing該工separated And acid It is characterized by containing oxygen separation step of concentrating the at least one of 17 O and 18 O in.
[0007]
Furthermore, the ozone separated in the oxygen separation step is irradiated with light having a specific wavelength different from that in the ozone decomposition step, and is ozone different from ozone decomposed in the ozone decomposition step, and at least of 17 O and 18 O A second ozone decomposing step of selectively decomposing ozone containing one of the molecules into oxygen, and oxygen generated by decomposing ozone in the step and undecomposed ozone are separated into 17 O in oxygen. And a second oxygen separation step of concentrating at least one of 18 O, and different oxygen isotopes can be concentrated in two stages.
[0008]
Examples of the isotopomer of ozone include 16 O 16 O 16 O, 16 O 16 O 17 O, 16 O 17 O 16 O, 16 O 16 O 18 O, and 16 O 18 O 16 from the types of oxygen isotopes and combinations thereof. O, 16 O 17 O 17 O, 17 O 16 O 17 O, 16 O 17 O 18 O, 17 O 16 O 18 O, 16 O 18 O 17 O, 17 O 17 O 17 O, 16 O 18 O 18 O 18 O 16 O 18 O, 17 O 17 O 18 O, 17 O 18 O 17 O, 17 O 18 O 18 O, 18 O 17 O 18 O, 18 O 18 O 18 O Become.
[0009]
In the present invention, specific light of ozone is decomposed to generate oxygen containing oxygen isotopes by irradiating ozone light containing these various isotopomers with specific light. For example, when an isotopomer of 16 O 16 O 17 O is decomposed by light irradiation, three molecules of oxygen are generated from two molecules of ozone according to the following reaction formulas (1) and (2).
[0010]
16 O 16 O 17 O + “light irradiation” → O 2 + O (1)
O 3 + O → 2O 2 (2)
[0011]
In this reaction, 17 O contained in ozone decomposed by light irradiation in the reaction formula (1) is included in the generated “O 2 ” or becomes “O”, and this “O” is immediately Since it reacts with other ozone by reaction formula (2) to become two molecules of oxygen, this 17 O exists in one molecule among the three molecules of oxygen generated by reaction formulas (1) and (2). Will do. As a result, 17 O is concentrated in oxygen decomposed by ozone. In addition, although the ozone which reacts in Reaction formula (2) may also contain 17 O and 18 O, the probability is very low and can be said to be a negligible amount.
[0012]
Moreover, the bond dissociation energy of ozone is 1.05 eV, and ozone decomposes in light absorption with a wavelength of 1.18 μm or less. The following bands are conventionally known as light absorption of ozone.
[0013]
Wulf band 700 ~ 1000nm (1.2 ~ 1.8eV) Near infrared
Chappius band 450 ~ 850nm (1.5 ~ 2.8eV) Visible range
Huggins band 300 ~ 360nm (3.4 ~ 4.1eV) UV
Hartly band 200-300nm (4.1-6.2eV) UV region [0014]
Among these bands, according to the literature (Journal of Chemical Physics vol.108 no.13 p.5449-5457), a sharp absorption as shown in FIG. 1 is observed in the vicinity of a wavelength of 1000 nm (wave number of 10,000 cm −1 ). A spectrum is observed. FIG. 1 shows light absorption in 16 O 3 ( 16 O 16 O 16 O) and 18 O 3 ( 18 O 18 O 18 O). The maximum peak of 16 O 3 has a wavenumber of 10081 cm −1 (wavelength). 999.965 nm), and the maximum peak of 18 O 3 is found to have a wave number of 10076 cm −1 (wavelength: 992.457 nm). Therefore, it can be seen that the wavelength at which ozone isotopomers containing 17 O and 18 O can be efficiently decomposed is between the two, and the desired ozone can be selectively decomposed by selecting the wavelength between them.
[0015]
Other absorption peaks can also be used, but the above range is optimal in view of ozone decomposition efficiency. In particular, the use of such near-infrared or visible light has the advantage of being easier to handle than using ultraviolet light. Furthermore, if high-energy ultraviolet light is used, not only the target ozone isotopomer but also other ozone isotopomers may be decomposed, resulting in a reduction in the concentration efficiency of oxygen isotopes. Become.
[0016]
If the light source is slightly deviated from the desired ozone decomposition wavelength and the selective decomposition efficiency is poor, the ozone absorption wavelength is shifted by the Stark effect by applying an electric field to the ozone when irradiating light. Therefore, it is possible to precisely match the absorption wavelength of ozone with the wavelength of the light source.
[0017]
As a light source for obtaining light of such a wavelength, sunlight spectroscopy, InGaAsP semiconductor laser or light emitting diode, AlGaInP semiconductor laser or light emitting diode, GaAsSb semiconductor laser or light emitting diode, CdZnTe semiconductor laser or light emitting diode CdZnSe-based semiconductor lasers or light emitting diodes, or dye lasers that can be optically pumped with a mercury lamp, YAG laser, Ar ion laser, Kr ion laser, or the like can be used.
[0018]
Furthermore, when irradiating light to ozone, in order to suppress the molecular collision as much as possible by lengthening the mean free path of ozone molecules, it is preferable to set the pressure under a low pressure, for example, 13 kPa (100 Torr) or less. Thereby, it is possible to prevent the absorption width of light from expanding due to molecular collision. Moreover, in order to suppress the natural decomposition | disassembly of ozone, it is preferable to cool not only the time of irradiating light to ozone but the whole system to low temperature, for example, the range of 100-250K. As a result, the absorption peak can be sharpened, and the concentration of oxygen containing oxygen isotopes can be improved by suppressing the generation of oxygen by natural decomposition.
[0019]
On the other hand, ozone can be easily generated by silently discharging oxygen as an ozone raw material with a general ozonizer or irradiating ultraviolet rays from a mercury lamp or the like. As the raw material oxygen, high-purity oxygen containing as little as possible impurities such as argon and nitrogen is desirable. However, if these impurities can be sufficiently separated when separating ozone and oxygen, an industrial having a purity of about 99.5% Oxygen for use can also be used as raw material oxygen. Further, oxygen or enriched for 17 O and 18 O in the concentration method of the present invention, the oxygen enriched for 17 O and 18 O in other concentration methods can also be used as a raw material oxygen. Further, the separation between ozone and oxygen can be easily carried out by low-temperature distillation using the difference between the boiling points of the two or low-temperature adsorption using the difference in the adsorptivity of the two to an adsorbent such as silica gel.
[0020]
For example, as shown in the block diagram of FIG. 2, the optimum apparatus configuration for carrying out the method of the present invention is generated by the ozone generating means 11 for generating ozone from the raw material oxygen GO and the ozone generating means. The ozone separation means 12 for separating the ozone OZ and the raw material oxygen, and the light L having a specific wavelength is irradiated to the ozone separated by the ozone separation means 12 to selectively convert ozone containing oxygen isotopes into oxygen. An ozone decomposing means 13 for decomposing, and an oxygen separating means 14 for separating oxygen OC generated by decomposing ozone by the ozone decomposing means 13 and undecomposed ozone OZ to concentrate oxygen isotopes in oxygen. It is a thing.
[0021]
Further, the ozone OZ separated by the oxygen separation means 14 is irradiated with light L, and ozone containing oxygen isotopes different from the ozone decomposed by the ozone decomposition means 13 is selectively decomposed into oxygen. Ozone decomposing means 15; second oxygen separating means 16 for separating oxygen OC2 generated by decomposing ozone by the second ozone decomposing means 15 and undecomposed ozone OZ2 to concentrate oxygen isotopes in oxygen; Can also be provided.
[0022]
Further, by providing a route for circulating and introducing the oxygen GO separated by the ozone separation means 12 into the ozone generation means 11, the consumption of raw material oxygen can be reduced. Further, the ozone decomposing means 13 is preferably provided with a cooling means and a decompression means.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 3 is a system diagram showing an embodiment of the oxygen isotope concentrator of the present invention. This concentrator first separates the ozone generator 21 which is an ozone generating means for generating ozone from raw material oxygen, and the ozone generated by the ozonizer 21 and the raw material oxygen as equipment for obtaining ozone from the raw material oxygen. A first distillation column 22 as an ozone separation means, a condenser 23 for providing the cooling required for the low-temperature distillation operation in the first distillation column 22, and an ascending gas in the first distillation column are generated. A reboiler 24; a heat exchanger 25 for recovering the cold of the first distillation column derived gas into the first distillation column introduction gas; a buffer tank 26 for temporarily storing the first distillation column derived gas; A blower 27 for circulating and introducing the first distillation column-derived gas into the ozonizer 21 is provided.
[0024]
As equipment for concentrating oxygen containing a specific isotope from ozone, a photoreaction cell 32 for decomposing a specific ozone isotopomer into oxygen by light irradiated from a light source 31, and a photoreaction cell 32 The second distillation column 33, which is an oxygen separation means for separating the separated oxygen and undecomposed ozone and concentrating oxygen isotopes in oxygen, and the cooling required for the low-temperature distillation operation in the second distillation column 33 A condenser 34 for supplying, a reboiler 35 for generating the rising gas in the second distillation column, and a heat exchanger 36 for recovering the cold of the second distillation column derived gas into the second distillation column introduction gas Is provided.
[0025]
The raw material oxygen supplied from the path 51 and joined with the oxygen circulated from the path 52 is partially ozonized by silent discharge in the ozonizer 21 and is cooled by the heat exchanger 25 as an ozone / oxygen mixed gas. , Is introduced into the middle stage of the first distillation column 22 from the path 53. This ozone / oxygen mixed gas is distilled by the reflux liquid generated in the condenser 23 at the upper part of the first distillation column and the rising gas generated in the reboiler 24 at the lower part of the first distillation column. Oxygen gas is separated into liquefied ozone at the bottom of the first distillation column 22. A part of the oxygen extracted from the upper part of the first distillation column into the path 54 is branched into the condenser 23, and the remaining part is temporarily stored in the buffer tank 26 through the path 55, and then compressed by the blower 27. 52 is introduced into the ozonizer 21 in a circulating manner.
[0026]
A part of the ozone extracted from the bottom of the first distillation column 22 to the path 56 is branched into the reboiler 24, and the rest is introduced into the photoreaction cell 32 in the form of gas through the valve 57. The specific isotopomer in the ozone is decomposed into oxygen by light emitted from the light source 31, and an ozone / oxygen mixed gas composed of decomposed oxygen and undecomposed ozone is led out from the path 58 through the valve 59. The inside of the photoreaction cell 32 is reduced to a pressure of 13 kPa or less and cooled to a range of 100 to 250 K in order to efficiently perform a specific ozone isotopomer decomposition in a stable state. The pressure and temperature can be appropriately set according to the decomposition state of ozone, and at least a predetermined pressure and a predetermined temperature between the valves 57 and 59 on both sides of the photoreaction cell 32 within a range where ozone does not liquefy or solidify. Try to keep on.
[0027]
The ozone / oxygen mixed gas in the path 58 is cooled by the heat exchanger 36 and then introduced into the middle stage of the second distillation column 33, and, similar to the first distillation column 22, the reflux liquid from the condenser 34, Distillation is performed by the rising gas from the reboiler 35, ozone is separated at the bottom of the tower, and oxygen gas containing specific isotope oxygen is concentrated at the top of the tower. The concentrated specific isotope-containing oxygen gas is extracted from the upper part of the second distillation column 33 to the path 61 and partially branched to the condenser 34, and then recovered as a product from the path 62. A part of the ozone extracted from the bottom of the second distillation column 33 to the path 63 is branched to the reboiler 35, and then extracted to the path 64 through the heat exchanger 36.
[0028]
The ozone in the path 64 is normally decomposed into oxygen by an ozone decomposing means using a catalyst or the like and discharged. In addition, the ozone in this path 64 is introduced into a second photoreaction cell as a second ozone decomposing means provided separately from the photoreaction cell 32, and an isotopomer different from that decomposed in the photoreaction cell 32 is obtained. The isotope-containing oxygen produced by the decomposition can be separated and concentrated from ozone using a distillation column or the like as the second oxygen separation means.
[0029]
The operating conditions of each distillation column are arbitrary, but the concentration of the isotope-containing oxygen gas decreases when oxygen enters the photoreaction cell, so that ozone in a state that does not contain oxygen as much as possible is obtained. Is preferred. Moreover, nitrogen and argon of suitable temperature can be used for the cold source supplied to a condenser and the heating source supplied to a reboiler. Furthermore, nitrogen and argon at an appropriate temperature can be used for cooling the photoreaction cell, and a vacuum pump can be installed in an appropriate path downstream from the photoreaction cell for reducing the pressure in the system including the photoreaction cell. Or by liquefying and depressurizing with liquefied nitrogen or the like. Moreover, what is necessary is just to select the material which does not have the reactivity with respect to ozone, or a catalytic action as a material of each apparatus, Usually, it is preferable to use glass, a fluororesin (polytetrafluoroethylene), etc.
[0030]
Table 1 shows the calculated values of the process flow rate and the like in each route when 17 O is concentrated using the concentrator having the configuration shown in FIG. 3 and 10 kg (in terms of H 2 O) is produced in one year. As raw material oxygen, oxygen gas in which 17 O and 18 O were concentrated by a distillation method was used. 16 O 17 O 18 O was selected as the target isotopomer to be decomposed in the photoreaction cell. Laser light having a wavelength of 992 nm was used as light for decomposing the isotopomer of the target. The laser output was 1.0 W and the absorption cross section was 3.0 × 10 −23 cm 2 . The pressure of the photoreaction cell was 13 kPa (100 Torr) and the temperature was 200K. The optical path length is 40 m, the residence time is 100 seconds, the light utilization rate is 0.0019, the target isotopomer yield is 0.90, and the non-selective degradation amount of other isotopomers generated simultaneously with the target isotopomer degradation is 3.3 for 1 of the target isotopomer. At this time, the concentration ratio of 17 O was 10.8. The power consumption of the ozonizer was 3.0 kW.
[0031]
[Table 1]
Figure 0004364529
[0032]
Next, Table 2 shows calculated values such as process flow rate in each route when normal high purity oxygen is used as raw material oxygen and 10 kg (H 2 O conversion) is produced in one year. 16 O 16 O 17 O was selected as the target isotopomer. Laser light having a wavelength of 992 nm was used as light for decomposing the isotopomer of the target. The laser output was 2.2 W and the absorption cross section was 3.0 × 10 −23 cm 2 . The pressure of the photoreaction cell was 13 kPa (100 Torr) and the temperature was 150K. The optical path length is 40 m, the residence time is 100 seconds, the light utilization rate is 0.0003, the target isotopomer yield is 0.90, and the non-selective degradation amount of other isotopomers generated simultaneously with the target isotopomer degradation is , 10 for 1 of the target isotopomer. At this time, the concentration ratio of 17 O was 85.4. The power consumption of the ozonizer was 6.7 kW.
[0033]
[Table 2]
Figure 0004364529
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by selecting the photolysis reaction of ozone as a means for separating and concentrating oxygen isotopes, the oxygen stable isotopes 17 O and 18 O are efficiently concentrated. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an absorption spectrum of ozone.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of an apparatus for carrying out the method of the present invention.
FIG. 3 is a diagram.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Ozone production | generation means, 12 ... Ozone separation means, 13 ... Ozone decomposition means, 14 ... Oxygen separation means, 15 ... 2nd ozone decomposition means, 16 ... 2nd oxygen separation means, 21 ... Ozonizer, 22 ... 1st distillation column 23 ... Condenser, 24 ... Reboiler, 25 ... Heat exchanger, 26 ... Buffer tank, 27 ... Blower, 31 ... Light source, 32 ... Photoreaction cell, 33 ... Second distillation column, 34 ... Condenser, 35 ... Reboiler 36 ... Heat exchanger

Claims (11)

オゾンに特定の波長の光を照射し、分子中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を含むオゾンを酸素に分解した後、オゾンが分解して生成した酸素と未分解のオゾンとを分離し、分離した酸素中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を濃縮することを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。Ozone was irradiated with light of a particular wavelength, after decomposing the oxygen ozone containing at least one of 17 O and 18 O in the molecule, and ozone of oxygen and non-decomposed ozone generated by decomposition A method for concentrating oxygen isotopes, comprising separating and concentrating at least one of 17 O and 18 O in the separated oxygen. 酸素を原料としてオゾンを生成するオゾン生成工程と、該工程で生成したオゾンを原料酸素から分離するオゾン分離工程と、該工程で分離したオゾンに特定の波長の光を照射し、分子中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を含むオゾンを酸素に分解するオゾン分解工程と、該工程でオゾンが分解して生成した酸素と未分解のオゾンとを分離して酸素中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を濃縮する酸素分離工程とを含むことを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。An ozone generation step for generating ozone using oxygen as a raw material, an ozone separation step for separating the ozone generated in the step from the raw material oxygen, and the ozone separated in the step are irradiated with light of a specific wavelength , and 17 in the molecule. an ozone decomposition step of decomposing into oxygen ozone containing at least one of O and 18 O, the ozone separates the oxygen and undecomposed ozone generated by decomposing oxygen in about該工 17 O and And an oxygen separation step of concentrating at least one of 18 O. 前記酸素分離工程で分離したオゾンに、前記オゾン分解工程とは異なる特定の波長の光を照射し、前記オゾン分解工程で分解したオゾンとは異なるオゾンであって 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を分子中に含むオゾンを酸素に分解する第2オゾン分解工程と、該工程でオゾンが分解して生成した酸素と未分解のオゾンとを分離して酸素中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を濃縮する第2酸素分離工程とを含むことを特徴とする請求項2記載の酸素同位体の濃縮方法。The ozone separated in the oxygen separation step is irradiated with light having a specific wavelength different from that in the ozone decomposition step, and is ozone different from ozone decomposed in the ozone decomposition step, and at least one of 17 O and 18 O one and a second ozone decomposition step of decomposing ozone containing in the molecule the oxygen,該工more ozone is generated oxygen and non-decomposed by decomposing the ozone into separated oxygen 17 O and 18 O A method for concentrating oxygen isotopes according to claim 2, further comprising a second oxygen separation step of concentrating at least one of them . 前記特定の波長が、700〜1000nmの範囲の近赤外域又は450〜850nmの範囲の可視域のいずれかであって 16 の光吸収ピークの波長と異なる波長であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の酸素同位体の濃縮方法。 The specific wavelength, characterized in that it is a near-infrared region or a wavelength different from the wavelength of the light absorption peak of a is either visible noise deviation 16 O 3 in the range of 450~850nm ranging 700~1000nm The oxygen isotope enrichment method according to any one of claims 1 to 3 . 前記特定の波長が、991.965〜992.457nmの範囲であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の酸素同位体の濃縮方法。The oxygen isotope enrichment method according to any one of claims 1 to 3, wherein the specific wavelength is in a range of 991.965 to 992.457 nm . 前記オゾンに特定の波長の光を照射する際に、電場を印可してオゾンの吸収波長を調節することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の酸素同位体の濃縮方法。The oxygen isotope enrichment method according to any one of claims 1 to 3, wherein the ozone absorption wavelength is adjusted by applying an electric field when the ozone is irradiated with light having a specific wavelength. . 前記オゾンへの特定の波長の光の照射を、温度100〜250K、圧力13kPa以下で行うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の酸素同位体の濃縮方法。The irradiation of light of a particular wavelength to the ozone, temperature 100~250K, method for concentrating oxygen isotopes according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in the following pressure 13 kPa. 原料酸素からオゾンを生成するオゾン生成手段と、該オゾン生成手段で生成したオゾンと原料酸素とを分離するオゾン分離手段と、該オゾン分離手段で分離したオゾンに特定の波長の光を照射し、分子中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を含むオゾンを酸素に分解するオゾン分解手段と、該オゾン分解手段でオゾンが分解して生成した酸素と未分解のオゾンとを分離して酸素中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を濃縮する酸素分離手段とを備えていることを特徴とする酸素同位体の濃縮装置。Ozone generating means for generating ozone from raw oxygen, ozone separating means for separating ozone generated by the ozone generating means and raw oxygen, and irradiating light of a specific wavelength to the ozone separated by the ozone separating means; and ozone decomposing means for decomposing the ozone into oxygen containing at least one of 17 O and 18 O in the molecule, and separating the ozone of oxygen and non-decomposed ozone generated by decomposition in the ozone decomposing means An oxygen isotope concentrating apparatus, comprising: an oxygen separation means for concentrating at least one of 17 O and 18 O in oxygen. 前記酸素分離手段で分離したオゾンに前記オゾン分解手段とは異なる特定の波長の光を照射し、前記オゾン分解工程で分解したオゾンとは異なるオゾンであって 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を分子中に含むオゾンを酸素に分解する第2オゾン分解手段と、該第2オゾン分解手段でオゾンが分解して生成した酸素と未分解のオゾンとを分離して酸素中に 17 O及び 18 Oの少なくともいずれか一方を濃縮する第2酸素分離手段とを備えていることを特徴とする請求項記載の酸素同位体の濃縮装置。Irradiating light of different specific wavelengths and the ozone decomposing means ozone separated in the oxygen separation unit, whereas at least one of a and 17 O and 18 O different ozone and ozone decomposition in the ozone decomposition step a second ozone decomposing means for decomposing ozone containing in the molecule the oxygen and by separating the ozone of oxygen and non-decomposed ozone generated by decomposition in the second ozone decomposing means during oxygen 17 O and The oxygen isotope concentrating apparatus according to claim 8, further comprising a second oxygen separation unit that concentrates at least one of 18 O. 前記オゾン分離手段で分離した原料酸素を前記オゾン生成手段に循環導入する経路を備えていることを特徴とする請求項記載の酸素同位体の濃縮装置。9. The oxygen isotope concentrator according to claim 8 , further comprising a path for circulatingly introducing the raw material oxygen separated by the ozone separation unit into the ozone generation unit. 前記オゾン分解手段は、冷却手段及び減圧手段を備えていることを特徴とする請求項記載の酸素同位体の濃縮装置。9. The oxygen isotope concentrator according to claim 8 , wherein the ozonolysis means comprises a cooling means and a decompression means.
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